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超聲波測厚儀是如何測量出材料厚度的

來源:滄州歐譜??????2019-8-7 10:58:38??????點擊:
測厚的方法很多,相應的儀器也很多,除一般機械法測厚外,常用的測厚儀從原理上有:射線測厚儀、超聲波測厚儀、磁性測厚儀、電流法測厚儀等。超聲波測厚儀與利用其他原理制作的測厚儀相比,有小型、輕便、測量速度快、精度高、電池供電、容器內積累成污垢不影響測量精度等優點。因此,近年來工業上測厚所使用的測厚儀大部分都是超聲波測厚儀。

近年來脈沖反射式測厚儀發展非???。由于采用集成電路,數字式測厚儀小到可以握在手掌之中重量不超過一市斤。測量下限降至0.25毫米,上限一般為幾百毫米,精度可達到0.01毫米。

超聲波測厚儀從原理上分有共振式、脈沖式兩種,下面重點討論脈沖反射式測厚儀。

(一)基本原理

脈沖反射式測厚儀從原理上來說是測量超聲波脈沖在材料中的往返傳播時間t,即:d=c*t/2

如果聲速c已知,那么,測得超聲波脈沖在材料中的往返傳播時間t,就可求得材料厚度d。這種測厚儀可利用表頭或數字管直接表示厚度,使用極為方便。

測厚儀電路工件原理方框圖示于右圖。發射電路輸出一個上升時間很短,脈沖很窄的周期性電脈沖,通過電纜加到探頭上,激發壓電片產生脈沖超聲波,探頭發出的超聲波進入工件,在工件上下兩面形成多次反射。反射波經過壓電片再變成電信號,經放大器放大,由計算電路測出聲波在兩面間的傳播時間t,最后再換算成厚度顯示出來。

(二)脈沖反射式測厚儀電路概述

脈沖反射式測厚儀電路主要是由于主控器、發射電路、接收放大電路、計算電路、厚度顯示等幾部分組成。

下面就其中幾個主要部分討論如下。

1、發射電路

該電路是經主控器發出的脈沖觸發后,產生一窄的發射脈沖信號,使換能器(探頭)發射超聲脈沖。從提高分辨能力和降低測厚儀范圍的下限考慮,發射脈動沖要上升時間短,脈沖寬度窄,這里需要指出。影響發射脈沖寬度的因素既有電路上的問題,也有探頭的制作問題。從提高靈敏度和擴大測量范圍上限考慮,要求發射功率大。

目前脈沖式超聲波測厚儀均采用晶體管電路和集成電路,為了提高發射強度,需將幾伏電源電壓通過直流變換器升到幾十伏至幾百伏的電壓,供給發射管,借以提高發射強度。

2、接收放大電路

它主要是接收放大工件的底面反射信號。底面反射信號的幅度除受發射脈沖強度影響外,還受被測工件表面光潔度、藕合、材質以及工件底面情況等影響,因此反射信號的幅度變化范圍很大,為使儀器有足夠的靈敏度,要求放大電路有較高的增益。但過分提高增益會使脈沖寬度變寬而影響測量精度。

3、計算電路和厚度顯示

數字式測厚儀測讀最方便,測量精度也高,精度可達±0.01毫米,目前國內外生產的脈沖式超聲波測厚儀主要是數字式的。下面討論一下數字式測厚儀的計算電路和厚度顯示。

發射脈沖和經過放大的底面反射信號(或相鄰兩個底面反射信號)觸發厚度閘門控制電路,輸出一個寬度與被測工件中超聲波傳播時間成正比的方波。用這方波來控制閘門電路啟閉。

高頻振蕩器輸出一系列高頻振蕩信號。在閘門電路開啟期間,這些高頻信號通過閘門進入計算器而被計數,最后數字管顯示出開門時間內的高頻振蕩次數。計數與開門方波寬度成正比,方波寬度又正比于工件厚度,因此,計數正比于厚度。高頻振蕩器的頻率是可調的,根據不同的材料可調節振蕩頻率,使之開門時間內振蕩次數等于工件厚度,這樣數字管就直接顯示出厚度來。

測量精度為0.1毫米時對于鋼來說,相應的聲波傳播時間約0.03微秒,也就是要求高頻振蕩的一個周期為0.03微秒,即振蕩頻率調整約為30 兆赫左右,這時計數器就顯示以0.1毫米為單位的厚度值。如要讓測量精度達到0.01毫米,則高頻振蕩頻率約為300兆赫左右。但制作在這樣高頻率下工作的數字電路太困難了。實際解決辦法是在計數電路之前加一級方波信號擴展電路,使開門時間準確擴大10倍,這樣用30兆赫左右的振蕩頻率也可使測量精度達到 0.01毫米。


(三)測厚儀的使用及注意事項

首先是選擇探頭。測厚用探頭一般要根據測厚范圍,測量精度和工件條件來選擇。雙晶片探頭比較好,它的測量范圍較寬,下限較低。

測厚時被測工件的表面處理與探傷時的要求相同。對粗糙表面測厚,要求打磨的面積不大,關鍵在于平整。

藕合劑選用也同探傷時一樣,對小徑管管壁和堅立的壁等的測厚,采用甘油或水玻璃為宜。

測量時,為避免耦合劑薄膜的多次反射或其他雜波信號引起的假讀數,一定要指示穩定且能重復呈現后再讀取數據。假讀數在絕大多數情況中指示是不穩定的。使用雙晶探頭時,對于一般無方向性問題的工件。探頭放置方向無關,并且每個測 點測一次即可。對于管道測厚,探頭的放置方向要使其隔聲層垂直于管道軸線,對于其他與探頭放置方向有關的測厚,各測點應測量二次(先測一次,然后將探頭旋 轉90°再測一次),并做好標記和記錄。

測量管材,尤其是測小徑管時,要細心左右擺動探頭,使其與管壁正交,這樣才能獲得穩定準確的厚度指示。如儀器工作正常,但測不出厚度時,首先要檢查工件光 潔度是否合格。耦合劑好不好,光潔度不夠再打磨一下,耦合劑太稀,應換粘度大一些的。如果仍然測不出來,這可能是內部腐蝕嚴重引起的,可把探頭稍移動一點 再測。

測厚中要注意成倍讀數或缺陷反射兩種情況,當讀數與預想值相差很多時,應該分析是什么原因引起的,看是出現了成倍讀數(讀數過大)還是缺陷反射(讀數過小);這時如有其他種類測厚儀探傷儀,應輔助測量一下,辨明原因。

對運行中高溫工件的測量,要使用高溫探頭和特殊的耦合劑。

通常管道中沉積物的聲阻抗與管材的聲阻抗相差很大,所以對厚度測量沒有影響。但在個別情況下,如煉油廠中提煉含硫量較高的天然石油時,管道和容器里形成一 種劇鐵鹽沉積物,其聲阻抗與鋼的聲阻抗相近,這時測得的壁厚有可能是管壁厚與沉積物厚度之和。所以測量時要特別小心,當對所測得厚度有懷疑時,用小錘敲打 幾下管壁,然后再測量一次。

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